Знаймо

Додати знання

приховати рекламу

Цей текст може містити помилки.

Гідродинаміка


BernoullisLawDerivationDiagram.svg

План:


Введення

Гідродинаміка - розділ фізики суцільних середовищ, що вивчає рух ідеальних і реальних рідини і газу. Як і за іншими розділах фізики суцільних середовищ, перш за все здійснюється перехід від реальної середовища, що складається із великої кількості окремих атомів або молекул, до абстрактної суцільному середовищі, для якої і записуються рівняння руху.


1. Основні розділи гідродинаміки

1.1. Ідеальне середовище

З точки зору механіки, рідиною називається речовина, в якому в рівновазі відсутні дотичні напруження. Якщо рух рідини не містить різких градієнтів швидкості, то дотичними напруженнями і викликаються ними тертям можна знехтувати і при описі течії. Якщо додатково малі градієнти температури, то можна знехтувати і теплопровідністю, що і складає наближення ідеальної рідини. В ідеальній рідини, таким чином, розглядаються тільки нормальні напруги, які описуються тиском. У ізотропної рідини, тиск однаково по всіх напрямах і описується скалярной функцією.


1.2. Гідродинаміка ламінарних течій

Гідродинаміка ламінарних течій вивчає поведінку рідини в нетурбулентном режимі. У деяких випадках зі спеціальною геометрією рівняння гідродинаміки можуть бути вирішені точно. Деякі найбільш важливі завдання цього розділу гідродинаміки:


1.3. Турбулентність

Турбулентність - назва такого стану суцільного середовища, газу, рідини, їх сумішей, коли в них спостерігаються хаотичні коливання миттєвих значень тиску, швидкості, температури, щільності щодо деяких середніх значень, за рахунок зародження, взаємодії та зникнення в них вихрових рухів різних масштабів, а також лінійних та нелінійних хвиль, солітонів, струменів. Відбувається їх нелінійне вихровий взаємодію і розповсюдження в просторі та часі. Турбулентність виникає, коли число Рейнольдса перевищує критичний.

Турбулентність може виникати і при порушенні суцільності середовища, наприклад, при кавітації (кипінні). При перекиданні і руйнуванні хвилі прибою виникає багатофазна суміш води, повітря, піни. Миттєві параметри середовища стають хаотичними.

Існують три зони турбулентності, в залежності від перехідних чисел Рейнольдса: зона гладкостінні тертя, перехідна зона (змішаного тертя) і зона гідравлічно шорсткуватих труб (зона квадратичного тертя). Всі магістральні нафто-і газопроводи експлуатуються в зоні гідравлічно шорсткуватих труб.

Турбулентний плин, очевидно, може бути описано системою нелінійних диференціальних рівнянь. До неї входить рівняння Нав'є - Стокса, нерозривності та енергії.

Моделювання турбулентності - одна з найбільш важких і невирішених проблем у гідродинаміці і теоретичної фізики. Турбулентність завжди виникає при перевищенні деяких критичних параметрів: швидкості і розмірів обтічного тіла або зменшення в'язкості. Вона також може виникати при сильно нерівномірних граничних і початкових умовах на кордоні обтічного тіла. Чи, може зникати при сильному прискоренні потоку на поверхні, при сильній стратифікації середовища. Оскільки турбулентність характеризується випадковим поведінкою миттєвих значень швидкості і тиску, температури в даній точці рідині або газі, то це означає, що при одних і тих же умовах детальна картина розподілу цих величин в рідині буде різною і практично ніколи не повторюється. Тому, миттєве розподіл швидкості в різних точках турбулентного потоку зазвичай не представляє інтересу, а важливими є усереднені величини. Проблема опису гідродинамічної турбулентності полягає, зокрема, і в тому, що поки не вдається на підставі тільки рівнянь гідродинаміки передбачити, коли саме має починатися турбулентний режим і що саме в ньому має відбуватися без експериментальних даних. На суперкомп'ютерах вдається моделювати тільки деякі типи течій. У результаті, доводиться задовольнятися лише феноменологічним, наближеним описом. До кінця XX століття два результати, що описують турбулентний рух рідини вважалися непорушними - "універсальний" закон фон Кармана-Прандтля про розподіл середньої локальної швидкості течії рідини (вода, повітря) в гладких трубах при високих значеннях числа Рейнольдса і теорія Колмогорова-Обухова про локальну структурі турбулентності.

Значний прорив у теорії турбулентності при дуже високих числах Рейнольдса пов'язаний з роботами Андрія Миколайовича Колмогорова 1941 і 1962 років, який встановив, що при деякому інтервалі чисел Рейнольдса локальна статистична структура турбулентності носить універсальний характер, залежить від кількох внутрішніх параметрів і не залежить від зовнішніх умов.


1.4. Надзвукова гідродинаміка

Цей розділ вивчає поведінку течій при їх швидкостях поблизу або перевищують швидкість звуку в середовищі. Відмінною особливістю такого режиму є те, що при ньому виникають ударні хвилі. У певних випадках, наприклад, при детонації, структура та властивості ударної хвилі ускладнюються. Цікавий також випадок, коли швидкості течій настільки високі, що стають близькими до швидкості світла. Такі течії спостерігаються у багатьох астрофізичних об'єктах, і їх поведінка вивчає релятивістська гідродинаміка.


1.5. Тепломасообмін

Часто течії рідин супроводжується нерівномірним розподілом температури (охолодження тіл у рідині, протягом гарячої рідини по трубах). При цьому властивості рідини ( щільність, в'язкість, теплопровідність) можуть самі залежати від локальної температури. В такому випадку завдання про поширення тепла і завдання руху рідини стають зв'язаними. Додаткова складність таких завдань полягає в тому, що найчастіше найпростіші рішення стають нестійкими ...


1.6. Магнітна гідродинаміка

Описує поведінку електропровідних середовищ (рідких металів, електролітів, плазми) у магнітному полі.

Теоретична основа магнітної гідродинаміки - рівняння гідродинаміки з урахуванням електричних струмів і магнітних полів в середовищі і рівнянь Максвелла. У середовищах з великою провідністю (гаряча плазма) і (або) великими розмірами ( астрофізичні об'єкти) до звичайного газодинамическому тиску додаються магнітне тиск і магнітне натяг, що призводить до появи хвиль Альфвена.

За допомогою магнітної гідродинаміки описуються багато явищ космічної фізики : планетарні і зіркові магнітні поля, походження магнітних полів галактик, сонячний цикл, хромосферні спалахи на сонце, сонячні плями.


1.7. Прикладна гідродинаміка

Сюди відносяться різні конкретні науково-технічні завдання. Серед інших завдань згадаємо

1.8. Реологія

Реологія - розділ гідродинаміки, що вивчає поведінку нелінійних рідин, тобто таких рідин, для яких залежності швидкості течії від прикладеної сили нелінійна. Приклади нелінійних рідин - пасти, гелі, склоподібні тіла, псевдопластікі, віскоеластікі. Реологія активно використовується в матеріалознавстві, в геофізиці.

Література


Цей текст може містити помилки.

Схожі роботи | скачати

Схожі роботи:
Магнітна гідродинаміка
Гравітаційні хвилі (гідродинаміка)
Формула Торрічеллі (гідродинаміка)
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru